一种静态高分辨显微CT成像系统及应用其的成像方法与流程

本发明涉及显微成像技术领域，具体涉及一种静态高分辨显微CT成像系统及一种应用静态高分辨显微CT成像系统的成像方法。

背景技术：

显微CT是一类采用X射线成像原理进行超高分辨率三维成像的设备。它能够在不破坏样品的情况下，对骨骼、牙齿、活体小动物和各种材料器件进行高分辨率X射线成像，从而显示各部分的三维图像。

显微CT实现高空间分辨在于采用了微发射焦点X射线源，高分辨探测器和几何放大，显微CT具有如下特征：①采用微发射焦点X射线源，这是为了获得几何放大并减小大发射焦点采样引起的半影模糊；②采用高分辨率二维平板探测器；③采用圆轨道锥束扫描，通常只需旋转一周即可完成物体扫描，成像视场较小。

而目前的显微CT系统有两种成像模式，离体成像系统即采用样本旋转的方式，和活体成像系统即采用扫描系统旋转的方式。完成CT成像，都需要通过旋转；而由于旋转，其会导致机械误差和运动伪影；并且其需要额外的旋转结构部件，导致系统成本增加；再者，其旋转速度不能太快，否则会导致机械运动引起的伪影，所以CT成像扫描时间较长。

技术实现要素：

为克服上述缺陷，本发明的目的即在于提供一种静态高分辨显微CT成像系统及及一种应用静态高分辨显微CT成像系统的成像方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明是一种静态高分辨显微CT成像系统，包括：X光源组件、平板探测器和样本放置处，所述X光源组件的数量为两个以上，所述平板探测器的数量与所述X光源组件的数量相一致，且每个所述X光源组件上均设有三个以上的光源点；每个所述X光源组件均与一个平板探测器相对准；所述样本放置处设置于X光源组件与平板探测器之间的光路上，且所述X光源组件与平板探测器交替排列，使其围成一个多边形的排列结构，所述样本放置处设置于该排列结构的中心点上。

作为一种改进，所述X光源组件中每个光源点之间的距离均相等。

作为另一种改进，所述X光源组件中所有相邻的光源点与样本放置处所形成的夹角均相等。

本发明一种应用如上所述静态高分辨显微CT成像系统的成像方法，包括：

在不放置扫描样本和不启动X光源组件的情况下，平板探测器对标准暗场图像进行采集；

在不放置扫描样本的情况下，启动X光源组件中的光源点，平板探测器对每个光源点所对应的标准亮场图像进行采集；

在获取标准暗场图像和每个光源点所对应的标准亮场图像后，在样本放置处放置扫描样本，按顺序启动X光源组件中的一个以上的光源点，被启动的光源点所发出的X射线穿过扫描样本后，进入平板探测器；所述平板探测器对所进入的X射线进行采集，得到与被启动光源点所对应的投影图像，直到所有光源点均被启动，得到所有的被启动光源点所对应的投影图像为止；

根据所述标准暗场图像和所有的被启动光源点所对应的标准亮场图像，对所有的被启动光源点所对应的投影图像进行一一校正，得到所有的CT平面图像；

根据X光源组件与平板探测器所围成的排列结构的形状，对所有的CT平面图像进行三维立体重建，得到CT三维图像。

作为一种改进，所述根据X光源组件与平板探测器所围成的排列结构的形状，对所有的CT平面图像进行三维立体重建，得到CT三维图像包括：

对所有的CT平面图像进行反log操作得到处理后的CT平面图像；并对CT平面图像进行加权、卷积滤波、加权反投影后获得CT三维图像。

作为另一种改进，所述根据X光源组件与平板探测器所围成的排列结构的形状，对所有的CT平面图像进行三维立体重建，得到CT三维图像包括：

所有的CT平面图像进行反log操作，得到处理后的CT平面图像；对处理后的CT平面图像中每个角度下的锥束投影数据进行求导，并对求导后所得到的投影数据对预设定的螺旋轨道内每条PI线上的CT平面图像进行加权反投影；对于加权反投影得到的PI线上的数据，沿着该条PI线求希尔伯特变换，得该条PI线上的重建结果；最后对螺旋轨道内所有PI线上的重建结果进行重采样，得到CT三维图像。

作为另一种改进，所述根据X光源组件与平板探测器所围成的排列结构的形状，对所有的CT平面图像进行三维立体重建，得到CT三维图像包括：

对CT平面图像中的数据进行加权，并修正光源点与其所在的X光源组件之间的距离及角度误差，然后对不同投影角度的CT平面图像进行水平方向上的一维滤波，最后进行三维反投影得到CT三维图像。

作为另一种改进，所述根据X光源组件与平板探测器所围成的排列结构的形状，对所有的CT平面图像进行三维立体重建，得到CT三维图像包括：

对CT三维图像进行ART迭代，对迭代结果进行正约束和TV梯度速降后，判断是否满足预设的迭代终止条件，若不满足，则继续进行迭代，若满足，则得到CT三维图像。

作为一种改进，所述按顺序启动X光源组件中的一个以上的光源点，被启动的光源点所发出的X射线穿过扫描样本后，进入平板探测器；所述平板探测器对所进入的X射线进行采集，得到与被启动光源点所对应的投影图像，直到所有光源点均被启动，得到所有的被启动光源点所对应的投影图像为止包括：

启动X光源组件中的一个光源点，被启动的光源点所发出的X射线穿过扫描样本后，进入平板探测器；所述平板探测器对所进入的X射线进行采集，得到与被启动光源点所对应的投影图像；在得到该投影图像后，关闭该光源点并启动另一X光源组件中的光源点，直到所有X光源组件中的光源点均被启动，得到所有的被启动光源点所对应的投影图像为止。

作为另一种改进，所述按顺序启动X光源组件中的一个以上的光源点，被启动的光源点所发出的X射线穿过扫描样本后，进入平板探测器；所述平板探测器对所进入的X射线进行采集，得到与被启动光源点所对应的投影图像，直到所有光源点均被启动，得到所有的被启动光源点所对应的投影图像为止包括：

将X光源组件中的所有的光源点设置为一组以上的光源组，每光源组中设有两个以上的光源点，启动一个光源组，被启动的光源点所发出的X射线穿过扫描样本后，进入平板探测器；判断被同时启动的光源点所发射的X射线在平板探测器上所覆盖范围是否相互重叠；

若不重叠，则所述平板探测器对所进入的X射线进行采集，得到与被启动光源点所对应的投影图像；在得到该投影图像后，关闭该光源组并顺时针或逆时针方向启动另一个光源组，直到所有光源点均被启动，得到所有的被启动光源点所对应的投影图像为止；

若重叠，则将光源组中每个光源点的X射线调制在一个独有的频率后再进行发送，所述平板探测器对所进入的X射线进行采集，再根据其频率解调出多个与被启动光源点所对应的投影图像；在得到该投影图像后，关闭该光源点并启动另一个光源组，直到所有光源点均被启动，得到所有的被启动光源点所对应的投影图像为止。

进一步，所述在不放置扫描样本和不启动X光源组件的情况下，平板探测器对标准暗场图像进行采集包括：

在不放置扫描样本和不启动X光源组件的情况下，平板探测器进行多次图像采集，得到多幅暗场图像，

将所有暗场图像按照对应像素灰度值叠加求和并取平均，得到平均标准暗场图像。

进一步，所述在不放置扫描样本的情况下，启动X光源组件中的光源点，平板探测器对每个光源点所对应的标准亮场图像进行采集包括：

在不放置扫描样本的情况下，多次启动X光源组件中的一个光源点，平板探测器对该光源点所对应的图像进行采集，得到多幅与该被启动的光源点所对应的亮场图像；再按各亮场图像之间对应的像素灰度进行叠加求和并平均，得到与被启动的光源点所对应的标准亮场图像；

在得到与被启动的光源点所对应的标准亮场图像之后，再次启动X光源组件中的另一个光源点，并采集与其所对应的标准亮场图像，直到所有光源点所对应的标准亮场图像均已被采集为止。

本发明的静态高分辨显微CT成像系统，其使得样品和扫描系统均不需旋转，即可完成成像过程，其可以降低成本，具有消除CT运动伪影，缩短CT成像扫描时间的优势。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的较佳实施例及附图作详细描述。

图1为本发明成像系统的一个实施例的整体结构示意图；

图2为本发明成像系统的另一个实施例的整体结构示意图；

图3为本发明成像方法的工作流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1至图2，本发明是一种静态高分辨显微CT成像系统，包括：X光源组件110、平板探测器120和样本放置处130，所述X光源组件110的数量为两个以上，X光源组件110的数目可以变更，如3、4、5等；所述平板探测器120的数量与所述X光源组件110的数量相一致，且每个所述X光源组件110上均设有三个以上的光源点111，光源点111数目可以变更，如3、4、6等；每个所述X光源组件110均与一个平板探测器120相对准；所述样本放置处130设置于X光源组件110与平板探测器120之间的光路上，且所述X光源组件110与平板探测器120交替排列，使其围成一个多边形的排列结构，所述样本放置处130设置于该排列结构的中心点上。

作为一种改进，所述X光源组件110中每个光源点111之间的距离均相等。

作为另一种改进，所述X光源组件110中所有相邻的光源点111与样本放置处130所形成的夹角γ均相等。

请参阅图3，下面以一个实施例对本发明一种应用如上所述静态高分辨显微CT成像系统的成像方法进行描述，其包括：

X光源组件A和B都包含5个光源点，分别用数字1-5表示，我们用A-1表示X光源组件A中的第1个光源点，B-3表示X光源组件B中的第3个光源点；

301.采集标准暗场图像

在不放置扫描样本和不启动X光源组件的情况下，平板探测器进行多次图像采集，得到多幅暗场图像，例如可采集5-30幅暗场图像，并将所有暗场图像按照对应像素灰度值叠加求和并取平均，得到平均标准暗场图像

302.采集所有的标准亮场图像

在不放置扫描样本的情况下，启动X光源组件中的光源点，平板探测器对每个光源点所对应的标准亮场图像进行采集；其具体可以为：

在不放置扫描样本的情况下，多次启动X光源组件中的一个光源点，平板探测器对该光源点所对应的图像进行采集，得到多幅与该被启动的光源点所对应的亮场图像，例如可采集5-30幅亮场图像；再按各亮场图像之间对应的像素灰度进行叠加求和并平均，得到与被启动的光源点所对应的标准亮场图像；

在得到与被启动的光源点所对应的标准亮场图像之后，再次启动X光源组件中的另一个光源点，并采集与其所对应的标准亮场图像，直到所有光源点所对应的标准亮场图像均已被采集为止；

以A-1光源点为例：不放置扫描物体，仅仅开启发射焦点A-1，用探测器采集若干幅CT投影图像(5-30幅)，按对应像素灰度叠加求和并平均，得到发射焦点A-1对应的标准亮场图像，用表示；

303.采集所有的投影图像

在获取标准暗场图像和每个光源点所对应的标准亮场图像后，在样本放置处放置扫描样本，按顺序启动X光源组件中的一个以上的光源点，被启动的光源点所发出的X射线穿过扫描样本后，进入平板探测器；所述平板探测器对所进入的X射线进行采集，得到与被启动光源点所对应的投影图像，直到所有光源点均被启动，得到所有的被启动光源点所对应的投影图像为止；

其中，X光源组件中的光源点启动方式有两种，一种为：每一时刻只有一个光源点启动；另一种为：在同一时刻有多个光源点启动的方式，

当每一时刻只有一个光源点启动时，其具体的工作方式为：启动X光源组件中的一个光源点，被启动的光源点所发出的X射线穿过扫描样本后，进入平板探测器；所述平板探测器对所进入的X射线进行采集，得到与被启动光源点所对应的投影图像；在得到该投影图像后，关闭该光源点并启动另一X光源组件中的光源点，直到所有X光源组件中的光源点均被启动，得到所有的被启动光源点所对应的投影图像为止。为了尽量降低光源发射所产生的热量以延长其使用寿命，微发射焦点发射X射线的顺序为：A光源中的某一发射焦点——B光源中的某一发射焦点——A光源中的某一发射焦点——B光源中的某一发射焦点……,例如：A-1到B-1到A-3到B-3……

当在同一时刻有多个光源点启动时，其具体的工作方式为：

将X光源组件中的所有的光源点设置为一组以上的光源组，每光源组中设有两个以上的光源点，启动一个光源组，被启动的光源点所发出的X射线穿过扫描样本后，进入平板探测器；判断被同时启动的光源点所发射的X射线在平板探测器上所覆盖范围是否相互重叠；

若不重叠，则所述平板探测器对所进入的X射线进行采集，得到与被启动光源点所对应的投影图像；在得到该投影图像后，关闭该光源组并顺时针或逆时针方向启动另一个光源组，直到所有光源点均被启动，得到所有的被启动光源点所对应的投影图像为止；

若重叠，则将光源组中每个光源点的X射线调制在一个独有的频率后再进行发送，所述平板探测器对所进入的X射线进行采集，再根据其频率解调出多个与被启动光源点所对应的投影图像；在得到该投影图像后，关闭该光源点并启动另一个光源组，直到所有光源点均被启动，得到所有的被启动光源点所对应的投影图像为止。由于，每个X射线信号调制在一个独特的频率，类似于一个广播电台的发射频率。多个X射线信号叠加在一起，形成一个复合信号，然后进行传输。复合信号被X射线探测器接收后，根据不同的频率再分解成多个单信号。可以在不损害CT扫描成像质量的情况下，大大增加CT成像速度。

304.校正投影图像

根据所述标准暗场图像和所有的被启动光源点所对应的标准亮场图像，对所有的被启动光源点所对应的投影图像进行一一校正，得到所有的CT平面图像；

以A-1光源点为例，通过公式(1)对A-1光源点的投影图像I^A-1进行预处理，得到校正后的投影图像可有效降低投影图像I^A-1的噪声

$I_C^{A-1}=-log\[(I^{A-1}-{\stackrel{\‾}{I}}_D)/({\stackrel{\‾}{I}}_F^{A-1}-{\stackrel{\‾}{I}}_D)\]---\left(1\right)$

305.三维立体重建图像

根据X光源组件与平板探测器所围成的排列结构的形状，对所有的CT平面图像进行三维立体重建，得到CT三维图像。对预处理后的CT平面图像，进行CT三维重建。此处需要对CT重建算法中的轨道定义进行调整。由于传统CT重建算法都是针对圆轨道或螺旋轨道，因此其重建算法中的光源和探测器轨道要相应修改为多边形轨道。可以采用解析重建算法(FBP、BPF、FDK)或者迭代重建算法(TV)。

应用FBP重建算法的过程是：对所有的CT平面图像进行反log操作得到处理后的CT平面图像；并对CT平面图像进行加权、卷积滤波、加权反投影后获得CT三维图像。

应用BPF重建算法的过程是：对所有的CT平面图像进行反log操作，得到处理后的CT平面图像；对处理后的CT平面图像中每个角度下的锥束投影数据进行求导，并对求导后所得到的投影数据对预设定的螺旋轨道内每条PI线上的CT平面图像进行加权反投影；对于加权反投影得到的PI线上的数据，沿着该条PI线求希尔伯特变换，得该条PI线上的重建结果；最后对螺旋轨道内所有PI线上的重建结果进行重采样，得到CT三维图像。

应用FDK重建算法的过程是：对CT平面图像中的数据进行加权，并修正光源点与其所在的X光源组件之间的距离及角度误差，然后对不同投影角度的CT平面图像进行水平方向上的一维滤波，最后进行三维反投影得到CT三维图像。

应用TV重建算法的过程是：对CT三维图像进行ART迭代，对迭代结果进行正约束和TV梯度速降后，判断是否满足预设的迭代终止条件，若不满足，则继续进行迭代，若满足，则得到CT三维图像。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。